基于單片機的IC卡預收費水表系統(tǒng)硬件.doc

XX 學 院 本科生畢業(yè)設計（論文）學院（系）： XX 專 業(yè)： XX 學 生： XX 指導教師： XX 完成日期 XX 年 X月XX學院本科生畢業(yè)設計（論文）基于單片機的IC卡預收費水表系統(tǒng)硬件設計 Hardware Design of Pre-charges the Water Meter IC Card System Based On Sing-chip 總 計： 26 頁表 格： 2 個插 圖 ： 15 幅XX 學 院 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）基于單片機的IC卡預收費水表系統(tǒng)硬件設計 Hardware Design of Pre-charges the Water Meter IC Card System Based On Sing-chip 學 院（系）： XX 專 業(yè)： XX 學 生 姓 名： XX 學 號： XX 指 導 教 師（職稱）： XX 評 閱 教 師： 完 成 日 期： XX學院 Nanyang Institute of Technology基于單片機的IC卡預收費水表系統(tǒng)硬件設計XX專業(yè)XX摘 要 本論文主要設計研究基于單片機的IC卡預收費水表系統(tǒng)硬件電路，其主要功能是以AT89C51單片機為核心，實現(xiàn)IC卡的讀寫，液晶顯示的控制，電磁閥的控制，脈沖的提取，同時具有安全保護電路、記憶單元電路、通信接口電路，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。本文對每個模塊逐一進行了研究，全面詳細地論述了硬件電路的設計流程，對本設計中非接觸式IC卡讀寫電路模塊、液晶顯示電路模塊和H6152讀寫電路模塊等工作原理及功能進行了詳細了說明。關(guān)鍵詞 單片機；IC卡；液晶顯示；記憶模塊Hardware Design of Pre-charges the Water Meter IC Card System Based On Sing-chip Electronic Information Engineering CHANG JingAbstract: In this paper, the main design based on single-chip pre-charges the IC card water meter system hardware circuit design, its main function is based on AT89C51 single-chip microcomputer as the core, the realization of IC card reader, LCD display control, the control solenoid valve, pulse extraction, at the same time security protection circuit, memory cell circuit, communication interface circuit, the signal meter to complete the reading, writing and processing, monitoring the work function of water meters. In this paper, one by one for each module studied. Full detail of the hardware circuit design flow, for the design of the Central African contactless IC card reader circuit module, liquid crystal display circuit module and circuit module, such as reading and writing H6152 working principle and function are described in detail.Key words: SCM;IC Card ;Liquid crystal display; Memory modules 目 錄1 引言11.1 IC卡的相關(guān)知識11.2 IC卡的分類11.3 IC卡的歷史11.4國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀22 基于單片機的IC卡預收費水表硬件設計32.1預收費水表系統(tǒng)硬件組成32.2 AT89C51單片機簡介32.2.1 89C51單片機的基本組成32.2.2 89C51單片機引腳及其功能43 系統(tǒng)各模塊硬件電路設計53.1 IC卡讀寫電路53.1.1 Mifare 1射頻IC卡53.1.2 H6152讀寫模塊83.1.3 IC卡讀寫電路的原理及說明93.2 液晶顯示電路123.2.1 液晶顯示模塊123.2.2 電源模塊133.2.3 單片機模塊153.3 記憶單元電路153.3.1 I2C總線簡介153.3.2 AT24C01簡介163.3.3 硬件原理圖173.4 電磁閥控制電路183.5 其它模塊電路19結(jié)束語19參考文獻20附錄21致謝231 引言1.1 IC卡的相關(guān)知識ISO7816定義了IC卡芯片中點到卡左邊沿距離為：15.06mm，到上邊沿的距離為：23.89mm(8-pin)，22.62mm(6-pin)，寬度：85.72-85.74mm，高度：54.03-53.92mm，厚度：0.83mm。IC卡，又稱“集成電路卡”、智能卡，英文名稱“Integrated Circuit Card”或“Smart card”，是法國人Roland morono 于1974年發(fā)明的，將具有存儲、加密及數(shù)據(jù)處理能力的集成電路芯片模塊封裝于和信用卡尺寸一樣大小的塑料基中，便構(gòu)成了IC卡。IC卡具有防磁、防靜電、抗破壞性和耐用性強、防偽性好、存儲數(shù)據(jù)安全性高（可加密）、數(shù)據(jù)存儲容量大、應用設備及系統(tǒng)網(wǎng)絡環(huán)境成本低、品種型號齊全、技術(shù)規(guī)范成熟等特點。正是由于IC卡具備諸多無可比擬的優(yōu)點，因此在金融、稅務、公安、交通、郵電、通訊、服務、醫(yī)療、保險等各個領域都得到了廣泛的重視和應用。它作為一種新的高科技產(chǎn)品正在引起人們的廣泛關(guān)注，其關(guān)鍵在于卡的應用，它標志著又一種新的信息處理手段的問世。未來多功能的卡的普及與應用將改變整個社會的生活方式，是人類全面邁向電子化時代的鑰匙。在高科技產(chǎn)品日新月異且不斷地伴隨于人們生活要求的情況下，且在IC卡領域內(nèi)又發(fā)展起了一項新技術(shù)非接觸式IC卡，其在工作時將卡片靠近讀寫器表面即可完成卡中的數(shù)據(jù)的讀寫操作，它成功地將射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源和無接觸這一難題。與接觸式IC卡相比較，它具有可靠性高、操作方便快捷，安全防沖突、應用范圍廣、加密性能好等優(yōu)點，因而它更受人們歡迎。1.2 IC卡的分類（1）按存儲容量分：IC卡的存儲量小的幾十個Bit，大到幾十個K BYTE （2）按安全級別分：非加密存儲卡、邏輯加密存儲卡、CPU卡 （3）按連接方式分：接觸式和非接觸式 （4）按IC芯片廠家：德國Siemens、法國Gemplus、美國Atmel、荷蘭Philips等1.3 IC卡的歷史IC卡是集成電路卡（Integrated Circuit Card）的英文簡稱，在有些國家也稱之為智能卡等。將一個專用的集成電路芯片鑲嵌于符合ISO7816標準的PVC（或ABS）塑料基片中，封裝成外形與磁卡類似的卡片形式，即制成一張IC卡。當然也可以封裝成紐扣、鑰匙、飾物等特殊形狀。IC卡的最初設想是由日本人提出來的。1969年12月，日本的有村國孝提出一種制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年獲得專利，那時叫ID卡（Identification Card）。1970年，法國人羅蘭德莫瑞諾（Roland moreno）第一次將可進行編程設置的IC（Integrated Circuit）芯片放于卡片中，使卡片具有更多的功能。當時，他對這項技術(shù)的描述是：鑲嵌有可進行自我保護存儲器的片。這樣就誕生了世界上第一張IC卡。1974年，法國的羅蘭德莫瑞諾（Roland moreno）發(fā)明了帶集成電路芯片的塑料卡片，并取得了專利權(quán)，這就是早期的IC卡。1976年法國布爾公司研制出世界第一枚IC卡。1984年，法國的PTT（Posts, Telegraphs and Telephones）將IC卡用于電話卡，由于IC卡良好的安全性和可靠性，獲得了意想不到的成功。隨后，國際標準化組織（ISO，International Standardization Organization）與國際電工委員會（IEC，International Electrotechnical Commission）的聯(lián)合技術(shù)委員會為之制訂了一系列的國際標準、規(guī)范，極大地推動了IC卡的研究和發(fā)展。在此后的三十多年里，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)以及信息安全技術(shù)等的發(fā)展，IC卡種類更加豐富，技術(shù)也更趨成熟，已在國內(nèi)外得到了廣泛的應用。1.4國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀美國是信用卡的發(fā)源地，磁卡應用在全世界占首位，從上世紀60年代起就開始發(fā)卡應用了。到了1988年，發(fā)卡量已經(jīng)超過10億張，人均約5張，消費金額達到4695億美元。1993年僅美國兩家最大的發(fā)卡公司VISA和MASTER的發(fā)行量即達到了6.6億張，遍及全世界200多個國家和地區(qū)，消費額達到8250億美元，電子收款機ECR的普及率約為400500臺/萬人。1987年，美國的ATM機已達3臺/萬人。如今，美國已開始用IC卡取代磁卡，比較成功有應用有：校園IC卡、交通IC卡、軍人身份證卡。在法國，IC卡誕生于法國，它是IC卡應用的先驅(qū)。據(jù)國際發(fā)明組織統(tǒng)計，1988年10月至1989年9月全世界IC卡硬件產(chǎn)業(yè)中，IC卡及讀寫器數(shù)量分別為4200萬張和87700臺，其中法國分別占98%和71%，處于世界領先地位。目前，法國IC卡不僅在數(shù)量上領先其它各國，而且其應用領域的多樣化更為突出，如在金融、電信、醫(yī)療、保險、旅游、游戲和交通運輸?shù)雀鱾€領域都有IC卡的廣泛應用。在其他歐洲國家更是如此，IC卡均得到廣泛的應用。在我國，IC卡的發(fā)展在我國的起步較晚，但在IC卡行業(yè)里，我國是一個發(fā)展較快的國家之一。自1993年7月我國電子工業(yè)部協(xié)同銀行、郵電及有關(guān)部委提出了命名為“金卡”的專項工程，總目標是：用10年左右的時間，在全國400個大中城市及部分經(jīng)濟發(fā)達縣區(qū)推廣使用卡基支付工具，在這些覆蓋了3億城市人口的地區(qū)，發(fā)卡總量要達到2億張，年交易額達到1萬億元。整個“金卡”工程分為試點、推廣和普及三個階段。到2000年我國IC卡的出貨量達到了2.3億張，2001年為3.8億張，2002年為4.13億張，2003年為3.97億張（由于SARS影響導致電信和公交卡發(fā)行量減少），2004年達到了5.63億張，2005年達到7.66億張?？梢?，IC卡在我國的快速發(fā)展，目前已經(jīng)有10余個部門和行業(yè)推廣應用了IC卡。在各方面的努力下，IC卡相關(guān)產(chǎn)品得到迅速發(fā)展，如自動柜員機ATM、銷售點終端機POS；網(wǎng)絡加密機和電子結(jié)算、轉(zhuǎn)賬、交換等大型應用軟件系統(tǒng)等等。特別是國內(nèi)在自主研究開發(fā)1C卡產(chǎn)品方面取得了長足進步。比如，我國已研制開發(fā)生產(chǎn)出IC卡操作系統(tǒng)、IC卡集成電路芯片生產(chǎn)設備，也完成了如模塊生產(chǎn)、卡基與卡片制作、各類讀寫卡設備與機具的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化配套等，全面帶動了我國電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2 基于單片機的IC卡預收費水表硬件設計2.1預收費水表系統(tǒng)硬件組成本水表電路的硬件設計原則是在低功耗的前提下，實現(xiàn)多功能，組成框圖如圖1 所示。系統(tǒng)硬件電路由 IC卡讀寫電路、液晶顯示控制電路、電磁閥控制電路、脈沖提取電路、安全保護電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以AT89C51為核心控制芯片，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。該CPU芯片內(nèi)置4K的程序存儲器，有32個多功能的I/O口，具有多個可編程的中斷I/O口和數(shù)據(jù)串行通信口。并且，該芯片功耗低，特別適用于水表控制線路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地讀取IC卡的數(shù)據(jù)，并控制電磁閥和液晶顯示器的工作，同時還可以將水表的數(shù)據(jù)存入E2ROM進行永久保存并可通過串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了該水表的智能化的功能。本水表采用電池供電。IC卡座通信插座來自水量傳感器去脈沖電磁閥AT89C51脈沖提取電路電磁閥控制電路安全保護電路IC卡讀寫電路液晶顯示電路通信接口電路記憶單元電路圖1 硬件總體框圖2.2 AT89C51單片機簡介2.2.1 89C51單片機的基本組成在一小塊芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分，即89C51單片機芯片內(nèi)包括：（1）一個8位的微處理器（CPU）。（2）片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM/SFR，用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。（3）片內(nèi)4KB程序存儲器Flash ROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。（4）4個8位并行I/O端口P0-P3,每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。（5）兩個16位的定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式。（6）具有5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)。（7）一個全雙工UART的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與PC機之間的串行通信。（8）片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。（9）具有節(jié)電工作方式，即休閑方式和掉電方式。以上各個部分通過片內(nèi)八位數(shù)據(jù)總線相連接。2.2.2 89C51單片機引腳及其功能 如圖2所示為單片機AT89C51的引腳圖。 圖2 單片機AT89C51的引腳圖（1）XTAL1（19腳）：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（2）XTAL2（18腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。（3）RST（9腳）：復位輸入，當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。（4）P0口（3932腳）：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動8個LS型TTL負載。當P0口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器寫入全1，此時P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。（5）P3口（1017腳）：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O多功能口。P3口輸出緩沖器可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。當CPU不對P3口進行SFR尋址訪問時，即用作第二功能輸出/輸入線時，由內(nèi)部硬件使鎖存器Q置1。用作第二功能時如表1所示。整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處低電平10ms來完成。在芯片擦除操作中，代碼陳列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 表1 P3口與第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD (串行輸出口)P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時器/計數(shù)器0）P3.5T1（定時器/計數(shù)器1）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）3 系統(tǒng)各模塊硬件電路設計3.1 IC卡讀寫電路3.1.1 Mifare 1射頻IC卡Mifare 1射頻IC卡的核心是Philips公司制造的Mifare 1 IC S50系列微晶片，其內(nèi)部包括1KB高速EEPROM、數(shù)字控制模塊和一個高效率射頻天線模塊?？ㄆ旧聿粠щ姵毓╇?，工作時將卡片放在讀寫器的有效工作區(qū)域，卡片讀寫器的天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上的天線提供電源能量，其電壓可達2V以上，足以滿足卡片上的IC電路供電需要。在信道保證和數(shù)據(jù)完整性方面，Mifare 1標準還提供了信道檢測、存儲數(shù)據(jù)冗余校驗、三次傳遞認證以及防沖突機制等功能，保證了數(shù)據(jù)交換過程的安全。Mifare 1射頻IC卡的主要性能指標如下。（1）1KB的EEPROM，分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)分為4塊，每塊16B，以塊為存取單位。（2）每個扇區(qū)有獨立的一組（2個）密碼及存取權(quán)限設置。（3）每張卡有唯一的32位序列號。（4）具有防沖突機制、支持多卡操作。（5）無電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通信邏輯電路。（6）數(shù)據(jù)可保存10年，可反復寫10萬次。（7）工作頻率為13.56MHZ。（8）106kbps 的快速數(shù)據(jù)傳輸速率。（9）讀寫距離最大可達10cm（取決于天線設計）。（10）工作溫度范圍：-20- +50。C。Mifare 1射頻卡包含了兩個部分：RF射頻接口電路和數(shù)字電路部分。（1）RF射頻接口電路在RF射頻接口電路中，主要包括波形轉(zhuǎn)換模塊和POR模塊。波形轉(zhuǎn)換模塊可將卡片讀寫器上的13.56MHZ的無線電調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進行進一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。POR模塊主要是對卡片上的各個電路進行POWER-ON-RESET（上電復位），使各電路同步啟動工作。（2）數(shù)字電路部分模塊ATR模塊：Answer to Request (“請求之應答”)當一張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all（或REQUEST std）命令后，卡片的ATR將啟動，將卡片Block 0 中的卡片類型（TagType）號共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡。如果不進行第一步的ATR工作，讀寫器對卡片的其他操作（Read/Write等）將不會進行。Anticollision模塊：防止（卡片）重疊功能 如果有多張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，AntiCollision模塊的防重疊功能將被啟動工作，在程序員控制下的卡片讀寫器會與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。由于Mifare 1卡片每一張都具有唯一的系列號，決不會相同，因此卡片讀寫器根據(jù)卡片的序列號來識別、區(qū)分已選的卡片?？ㄆx寫器中的MCM中的Anticollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來控制讀寫器，根據(jù)卡片的序列號來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀寫器進行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時準備與卡片讀寫器進行通信。Anticollision模塊（防重疊功能）啟動工作時，卡片讀寫器將得到卡片的序列號Serial Number。序列號Serial Number存儲在卡片的Block 0中，共有5個字節(jié)，實際有用的為4個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號Serial Number的校驗字節(jié)。Select Application 模塊：主要用于卡片的選擇當卡片與讀寫器完成了上述的二個步驟，程序員控制的讀寫器要想對卡片進行讀寫操作，必須對卡片進行“SELECT”操作。以使卡片真正地被選中。被選中的卡片將卡片上存儲在BLOCK 0 中的卡片的容量“SIZE”字節(jié)傳送給讀寫器。當讀寫器收到這一字節(jié)后，可以對卡片進行深一步的操作，例如，可以進行密碼驗證等等。認證及存取控制模塊在確認了上述的三個步驟，確認已經(jīng)選擇了一張卡片時，程序員對卡片進行讀寫操作之前，必須對卡上已經(jīng)設置的密碼進行認證，如果匹配，則允許進一步的Read/Write操作。Mifare 1 卡片上有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設置各自的密碼，互不干涉。因此每個扇區(qū)可獨立地應用于一個應用場合。整個卡片可以設計成“一卡通”形式來應用?？刂萍八阈g(shù)運算單元這一單元是整個卡片的控制中心，是卡片的“頭腦”。它主要進行對整個卡片的各個單位進行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個步驟。同時它還對各種收/發(fā)的數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算處理，遞增/遞減處理，CRC運算處理，等等。是卡片中內(nèi)建的中央微處理機（MCU)單元。RAM/ROM 單元RAM主要配合控制及算術(shù)運算單元，將運算的結(jié)果進行暫時的存儲。如果某些數(shù)據(jù)需要存儲到EEPROM，則由控制及算術(shù)運算單元取出送到EEPROM存儲器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀寫器，則由控制及算術(shù)運算單元取出，經(jīng)過RF射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給卡片讀寫器。RAM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）將被清除。同時，ROM中還固化了卡片運行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運算單元取出去對每個單元進行微指令控制，使卡片能有條不紊地與卡片的讀寫器進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)加密單元 該單元完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護。存儲器及其接口電路該單元主要用于存儲數(shù)據(jù)。EEPROM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）仍將被保持，用戶所要存儲的數(shù)據(jù)被存放在該單元中。Mifare 1卡片中的這一單元容量為8196bit（1Kbyte），分為16個扇區(qū)，64個塊。3.1.2 H6152讀寫模塊11 10 H201014x20 1J317J414圖3 H6152基本結(jié)構(gòu)示意圖H6152的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，對外通信的接口為J3和J4。J3口共有7針，包括RS-232/422的接口引腳和讀寫器模塊的電源端，接地端，具體的功能定義如下：（1）引腳1：保留引腳（2）引腳 2：5V電源腳（3）引腳 3：接地端（4）引腳 4：A路串行接收RxD（RS-232/422）（5）引腳 5：A路串行發(fā)送TxD（RS-232/422）（6）引腳 6：B路串行接收RxD（RS-422）（7）引腳 7：B路串行發(fā)送TxD（RS-422）J4口為4針接口，提供電源和操作狀態(tài)的LED燈指示信號，具體的定義如下：（1）引腳1：讀過程LED指示的正端。（2）引腳2：讀過程LED指示的負端。（3）引腳3：供電LED指示的正端。（4）引腳4：供電LED指示的負端。H6152讀寫模塊操作簡單方便，讀寫過程穩(wěn)定有效。它集成了PCB板載天線電路和RS-232/422接口的集成讀寫模塊，還提供了RS-232/422接口與TTL接口的轉(zhuǎn)換電路。H6152需外界+5V電源供電。主要性能指標如下：（1）工作頻率：13.56MHz。（2）串行通信波特率：9600bps、19200bps、38400bps和57600bps4種可選。（3）接口：RS-232/422/485。（4）天線輸出阻抗：50K歐姆。（5）天線尺寸：45mm70mm。（6）電源電壓：+5V。（7）電流供應：80mA。（8）工作溫度：-40+85.（9）最大讀寫距離：50mm。3.1.3 IC卡讀寫電路的原理及說明IC卡應用系統(tǒng)的硬件設計結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，總體原理圖見附錄1。單片機AT89C51是本設計的核心器件，它主要完成了對射頻卡（MIFARE 1卡）的讀寫操作。H6152讀寫器對射頻卡進行讀寫后通過串口電平轉(zhuǎn)換電路將RS232電平轉(zhuǎn)換為單片機所識別的TTL電平，從而達到了使用AT89C51單片機來控制射頻卡的讀寫過程。單片機AT89C51串口電平轉(zhuǎn)換電路IC卡讀寫器報警電路Mifare1射頻卡圖4 硬件設計結(jié)構(gòu)框圖硬件電路由單片機模塊、串口電平轉(zhuǎn)換模塊和H6152讀寫模塊3部分電路組成，其工作原理分別如圖5、圖6、圖7所示。圖5 單片機模塊圖6 串口電平轉(zhuǎn)換模塊圖7 H6152讀寫模塊U1為單片機芯片AT89C51，其P1.0腳為單片機對H6152的控制輸出，它控制H6152的工作狀態(tài)，該引腳為高電平時，H6152停止工作；P1.1腳為單片機對蜂鳴器的控制輸出，為低電平時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。XTAL0 和 XTAL1 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，則XTAL1不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。本設計的外部時鐘電路是將XTAL0(18腳)和XTAL1(19)腳分別對接外部晶體和微調(diào)電容的兩端所構(gòu)成。另外單片機中還帶有復位端，為了安全方便，單片機采用了上電自動復位和手動復位兩種。圖7中的U3為H6152的對外接口，1-7腳對應H6152板上的J3的1-7針，8-11腳對應H6152板上的J4的1-4針。L1為雙色發(fā)光二極管，它表示當前H6152的工作狀態(tài)。串口電平轉(zhuǎn)換電路采用Maxim公司的MAX3232實現(xiàn)。MAX3232將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)為RS-232，然后與H6152的RS-232接口直接相連。RS-232C是數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設備（DCE）之間的接口標準，是在微機接口應用中常用的一種串行通信總線標準，全稱為EIA-RS-232C標準（Electoronic Industrial Associate Recommended Standard-232C）。RS-232C標準的信號線共25根，其中只定義了22根。這22根信號線又分為主、輔兩個信道，大多數(shù)微機串行通信系統(tǒng)中都只使用主信道的信號線。在通信中，即便是只使用主信道，也并非主信道的所有信號都要連接，一般情況下只需使用其中的9根信號線，這就是為什么在微機的機箱上串行通信接口（如COM1、COM2）只有9根的原因。RS-232C串行通信接口標準中，對于發(fā)送端，規(guī)定5V15V表示邏輯“1”（MARK信號），用5V15V表示邏輯“0”（SPACE信號），內(nèi)阻為幾百歐姆，可以帶2500pF的電容負載。負載開路時電壓不得超過25V。對于接收端，電壓低于3V表示邏輯“1”，高于3V表示邏輯“0”。 設計中單片機選用ATMEL公司的芯片AT89C51，它可以完全滿足設計的功能要求。3.2 液晶顯示電路3.2.1 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊選用圖形液晶顯示模塊GXM12864，它內(nèi)含KS0108B/HD61202控制器，是一種采用低功耗CMOS技術(shù)實現(xiàn)的點陣圖形LCD模塊，有8位的微處理器接口，通過內(nèi)部的12864位映射DDRAM實現(xiàn)128點64點大小的平板顯示。該液晶顯示模塊使用KS0108B作為列驅(qū)動器，同時使用KS0107B作為行驅(qū)動器。KS0107B不與CPU發(fā)生聯(lián)系，只要提供電源就能產(chǎn)生行驅(qū)動信號和各種同步信號，比較簡單。液晶顯示模塊GXM12864的工作原理圖如圖8所示。圖8 液晶顯示模塊GXM12864的工作原理圖電位器R15的作用是調(diào)節(jié)提供給驅(qū)動器的供壓，從而調(diào)節(jié)液晶顯示的對比度。RST是復位腳，接高電平Vout1。數(shù)據(jù)線DB0DB7和單片機的P0口相連，控制線D/I、R/W和片選線/CSA、/CSB分別與單片機P2口的6、5、1、0腳相連，使能線與P2.3相連。在進行液晶顯示模塊的硬件調(diào)試時務必注意正確的接線，尤其是正負電源的接線不能有錯，否則會燒壞電路上的芯片。為避免液晶模塊的損壞，在加液晶驅(qū)動電壓V0/VEE時需要比加邏輯電壓VDD滯后50ms；在關(guān)電時，液晶驅(qū)動電壓V0/VEE需要比邏輯電壓VDD提前50ms關(guān)斷。GXM12864的引腳定義如表2所示。表2 GXM12864的引腳定義引腳名稱引腳定義/CSA、/CSB片選1、2VSS數(shù)字地VDD邏輯電源+5VV0對比度調(diào)節(jié)D/I指令數(shù)據(jù)通道R/W讀/寫選擇E使能信號、高電平有效DB0-DB78位數(shù)據(jù)線RST復位信號VEE液晶驅(qū)動電源A、K背光正電源端、背光接地端3.2.2 電源模塊在一般情況下，液晶器件的驅(qū)動需要兩種不同的電源電壓，一種是+5V(工作電壓)，另一種是-10V(背景光對比度調(diào)節(jié)電壓)。所以，使用液晶模塊時，需要設計專門的液晶電源電路。液晶電源電路的作用就是將電壓轉(zhuǎn)換成這兩種電壓信號輸出，為液晶顯示模塊提供工作電壓。本設計中系統(tǒng)采用電池供電，其輸入電壓為+3V，所以電源部分的設計要求為+3V輸入，+5V和-10V雙電壓輸出。MAX1677是雙電壓輸出升壓DC-DC變換器，它是一種專門為LCD提供電源的芯片，可以產(chǎn)生兩種可調(diào)電壓輸出。其輸入電壓范圍（0.7-5.5V）較大，可以依據(jù)不同系統(tǒng)提供的安裝電池的空間和所需的不同電池電壓與容量，靈活的選擇電池的種類。電源模塊電路如圖9所示。圖中，MAX1677的輸入電壓Vin=3V，輸出兩路電壓Vout1和Vout2，分別是+5V和-10V，+5V為系統(tǒng)電源，而-10V作為液晶顯示模塊的背光電源。圖9 電源模塊電路電路中的其他器件說明如下。L1、L2為CoilCraft的DO1608C-103表貼磁芯電感，電感值為10Uh。D1、D2是反相耐壓大于16V的肖特基二極管，也可選用具有相同耐壓參數(shù)的其他型號二極管。電阻R11和R12的比值決定了主輸出電壓值Vout（對應圖中的Vout1）需滿足下面的公式： R11=R12*Vout/1.25-1 （R12的取值范圍為10-200千歐姆）電阻R14和R13的比值決定了LCD對比度輸出的電壓值VLCD(對應圖中的Vout2)需滿足下面的公式： R14=R13*|VLCD|/1.25（V） （R14的取值范圍為500-2000千歐姆）電阻R8和R7的比值決定了系統(tǒng)欠電壓監(jiān)測的門檻電壓值VTRIP需滿足下面的公式： R8=R7*VTRIP/0.614-1 (R7130千歐姆)當電池正常時，電池電壓過低，輸出引腳LBO輸出保持高電平；一旦電池電壓低于門檻電壓，LBO引腳輸出為低電平。如果不是用欠電壓監(jiān)測的話，只需要將第三引腳（LBI）接地即可。在原理圖中，Vin為電源電路的輸入端，連接兩節(jié)1.5V的電池形成便攜式儀表的電源；Vout1連接MAX1677的第16引腳，輸出+5V的電壓，作為系統(tǒng)的電源電壓；Vout2連接MAX1677的10引腳，輸出-10V的電壓，作為液晶顯示模塊的背光電源電壓。3.2.3 單片機模塊由于內(nèi)部液晶控制器的存在，單片機可直接與GXM12864相連，不必使用其他的接口芯片。由于單片機采用Atmel公司的AT89C51,將液晶模塊作為存儲器的一部分，直接進行I/O操作。其工作原理圖見附錄2所示。AT89C51的P0口直接與液晶模塊的數(shù)據(jù)總線DB0DB7相連；P2口的0、1、3、5、6引腳分別和液晶模塊的/CSB、/CSA、E、R/W、D/I相連，在單片機程序執(zhí)行過程中，對它們作相應的控制。3.3 記憶單元電路3.3.1 I2C總線簡介I2C總線，是Inter Integrated Circuit Bus的縮寫，即“內(nèi)部集成電路總線”。I2C總線是Philips公司推出的一種雙向二線制總線。目前，Philips公司和其他集成電路制造商推出了很多基于I2C總線的外圍器件。I2C總線包括一條數(shù)據(jù)線（SDA）和一條時鐘線（SCL）。協(xié)議允許總線接入多個器件，并支持多主工作。總線中的器件既可以作為主控器也可以作為被控器，既可以是發(fā)送器也可以是接收器?？偩€按照一定的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。在每次數(shù)據(jù)交換開始，作為主控器的器件需要通過總線競爭獲得主控權(quán)，并啟動一次數(shù)據(jù)交換。一個典型的I2C總線標準的IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，還可將內(nèi)部各單元電路劃分成若干相對獨立的模塊，它只有二根信號線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。CPU可以通過指令對各功能模塊進行控制，各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，所以每個電路和模塊都有唯一的地址。在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器）。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量（數(shù)據(jù)）兩部分。地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關(guān)。I2C總線接口電路如圖10所示。圖10 I2C總線接口電路I2C總線的器件分為主器件和從器件。主器件的功能是啟動在總線上傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘脈沖，以允許與被尋址的器件進行數(shù)據(jù)傳送。被尋址的器件，稱為從器件。一般來講，任何器件均可以稱為從器件，只有單片機才能稱為主器件。主、從器件對偶出現(xiàn)，工作在接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)方式，由器件的功能和數(shù)據(jù)傳送方向所決定。傳統(tǒng)的單片機串行接口的發(fā)送和接收一般都分別各用一條線，而I2C總線則根據(jù)器件的功能通過軟件程序使其工作于發(fā)送或接收方式。當某個器件向總線上發(fā)送信息時，它就是發(fā)送器，而當其從主線上接收信息時，又成為接收器。主器件用于啟動總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。I2C總線的控制完全由掛在總線上的主器件送出地址和數(shù)據(jù)決定，在總線上，既沒有中心機也沒有優(yōu)先級?？偩€上主和從（即發(fā)送和接收）的關(guān)系取決于此時數(shù)據(jù)傳送的方向。SDA和SCL都是雙向線路，都通過一個電流源或上拉電阻連接到電源端。連接總線器件的輸出級必須是集電極或漏極開路，以具有線“與”功能，當總線空閑時，兩根線都是高電平。I2C總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標準模式下可達100kb/s，在快速模式下可達400kb/s，在高速模式下可達3.4Mb/s。連接到總線的接口數(shù)量只由總線電容是400pF的限制決定。3.3.2 AT24C01簡介 AT24C01是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它內(nèi)含2568位存儲空間，具有工作電壓寬（2.55.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10 000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點。AT24C01中帶有片內(nèi)尋址寄存器。每寫入或讀出一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實現(xiàn)對下一個存儲單元的操作。所有字節(jié)都以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時間，一次操作可寫入多達8字節(jié)的數(shù)據(jù)。圖11為AT24C01的引腳圖。各引腳功能如下：圖11 AT24C01的引腳圖SCL:串行時鐘。在該引腳的上升沿時，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到每個EEPROM器件，在下降沿時輸出。SDA：串行數(shù)據(jù)。該引腳為開漏極驅(qū)動，可雙向傳送數(shù)據(jù)。A0A2:器件/頁面尋址。為器件地址輸入端。Wp：硬件寫保護。當該引腳為高電平時禁止寫入，為低電平時可正常讀/寫數(shù)據(jù)。Vcc：電源。一般輸入+5V電壓。Vss：接地。3.3.3 硬件原理圖記憶單元硬件原理圖如圖12所示。利用單片機AT89C51與24C01進行I2C通信，實現(xiàn)對某一地址內(nèi)數(shù)據(jù)的讀/寫校驗操作。圖12 記憶單元硬件原理圖3.4 電磁閥控制電路 控制信號（來自CPU）電磁閥選用脈沖式電磁閥，為以色列BERMAD公司出品，其控制電路原理如圖13所示。這種電磁閥在開啟時只需在其控制線AB兩端加一正向脈沖（幅度DC12V寬度大于20 ms），水閥一旦開啟則會自動保持。當關(guān)斷時則在AB兩端加一反向脈沖，水閥就會關(guān)閉。因為這種電磁閥開啟后不需給電磁閥持續(xù)供電，所以它的功耗非常低，因而特別適合用在IC卡水表中作為水表開啟送水或欠費停水的執(zhí)行單元。電路設計上采用多路模擬開關(guān)組合成一組雙刀雙擲開關(guān)，在AT89C51的控制下，將正脈沖或負脈沖加到電磁閥的控制線AB兩端。脈沖電磁閥Vcc+Vcc-A+B-圖13 電磁閥控制電路圖3.5 其它模塊電路(1) 脈沖提取電路脈沖提取電路，用于提取IC卡水表的計量脈沖?？稍谠械睦鲜綕袷剿砑尤氪裴樅透苫晒埽裴橂S著用水的流動而旋轉(zhuǎn)使得干簧管動作發(fā)出開關(guān)信號，作為計量信號。也可以利用干式磁傳水表已有的開關(guān)信號輸出，作為計量信號。(2) 安全保護電路安全保護電路，利用AT89C51可編程的1/O中斷口接到水表的外封裝上實現(xiàn)保護。使封裝完好時I/O線相當于接地，為低電平，一旦封裝被非法打開，I/O線就不與地連接，其電平變?yōu)楦唠娖?，此時CPU將發(fā)生安全保護中斷，立即關(guān)斷電磁閥中斷供水。這樣就能有效地防止私拆或惡意破壞水表的事件發(fā)生。(3) 通信接口電路通信接口電路，利用AT89C51的串行通信口，選用MAX2338芯片形成485接口電路。外部數(shù)據(jù)讀取設備可通過水表的485接口，將水表的數(shù)據(jù)讀出，實現(xiàn)自動抄表功能。結(jié)束語本課題是基于單片機的IC卡預收費水表系統(tǒng)的硬件設計是單片機應用的一個部分，由二個同學一起完成，在我們的共同努力下，共同完成了畢業(yè)設計課題。本人設計是以配合軟件設計，完成的功能是通過51單片機控制德國ACG公司的H6152系列讀寫模塊對MIFARE1系列頻卡進行讀寫操作。硬件電路由IC卡讀寫電路、液晶顯示電路、通信接口電路、記憶單元電路、脈沖提取電路、電磁閥控制電路和安全保護電路7部分電路組成。整個過程中，從開始接到論文題目到系統(tǒng)電路的實現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)。我的課題是關(guān)于IC卡的，現(xiàn)在IC卡的應用很普遍。它具有防磁、防靜電、抗破壞性和耐用性強、防偽性好、存儲數(shù)據(jù)安全性高（可加密）、數(shù)據(jù)存儲容量大、應用設備及系統(tǒng)網(wǎng)絡環(huán)境成本低、品種型號齊全、技術(shù)規(guī)范成熟等特點，使得它在生活中可以說無處不在。2004年，我國啟動了第二長身份證換發(fā)工作，又為IC卡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的機遇，同時促進了IC卡在更廣的社會生活領域內(nèi)普及。然而，市場的發(fā)展也給不法分子留下可乘之機，制假行為隨之產(chǎn)生，嚴重影響到社會正常經(jīng)濟活動的開展，因此望長江后浪推前浪，未來的學者、研究人員能在其行業(yè)上再接再厲，必須提高IC卡制作水平和防偽技術(shù)含量，向制假行為發(fā)起反擊，研究發(fā)明更多更優(yōu)秀的IC卡，以給人們帶更大的方便。在設計的整個過程中讓我學到了很多的知識，使我受益匪淺。但由于能力和時間的關(guān)系，總是覺得有很多不盡人意的地方，譬如有的模塊沒有達到預期的效果等，然而就是這些缺點讓我知道了我的弱處，我應該努力的方向。參考文獻1 戴佳，戴衛(wèi)恒.51單片機C語言應用程序設計實例精講.電子工業(yè)出版社.20062 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